1MCP作用机理及其在果蔬贮藏保鲜中的应用研究进展

胡 筱,潘 浪,丁胜华,单 杨

(湖南大学隆平分院,湖南省农业科学院农产品加工所,果蔬贮藏加工与质量安全湖南省重点实验室,湖南长沙 410125)

中国是果蔬生产大国,据国家统计局统计,2016年全国水果生产总量达到了2.83亿吨,蔬菜总产量达到了7.97亿吨,水果与蔬菜成为了农业发展的支柱产业。而水果和蔬菜有着诱人的色、香、味和质地,能增进食欲,有助于食物的消化吸收,是人们生活中每日不可缺少的食品。水果蔬菜所含有的各种维生素、矿物质和有机酸,是从粮食、肉类和禽蛋中难以摄取的,具有特别的营养价值[1],所以新鲜的水果蔬菜作为日常所需和健康食物有越来越广泛的市场需求。尽管果蔬的营养物质丰富,但是其生产季节强、采收期集中、皮薄汁多、保护组织差,在采后加工过程中很容易生理衰老、受机械损伤和微生物的侵染[2]。目前,美国、意大利、法国等发达国家果蔬采后商品化率达到60%～80%,而我国果蔬商品化仅为10%,其中果品损耗率约占总产量的15%～20%,蔬菜损耗率高达20%以上[3],而发达国家损失率仅7%[4]。所以,新鲜水果和蔬菜采后的保鲜贮藏极为重要,根据其不同的生理特性,选择合适的方法与条件很关键。当前采后贮藏技术研究主要集中在物理、化学、生物等方面[2],其中化学保鲜剂1-甲基环丙烯是一种绿色的保鲜剂,可很好地延迟果蔬后熟化,保持果实的硬度、脆度、颜色、香味和营养成分等,以及植物的抗病性,并减轻微生物的病害等,由此增加了果蔬的货架期。近年来被广大学者应用到不同种类果蔬的保鲜处理中,本综述将对其进行阐述。

1 1-甲基环丙烯

1-甲基环丙烯是一种化学物质,化学分子式是C4H6(1-Methylcyclopro-pene,简称1-MCP)。常温下,1-MCP是气体,是一种小环烯烃,性质很活泼。可用于自身产生乙烯或乙烯敏感型果蔬或者植物的保鲜。

Blankenship等指出1-MCP作为乙烯作用的抑制剂,在乙烯反应中,乙烯受体比乙烯本身亲和力高10倍,1-MCP更容易与乙烯受体蛋白优先发生不可逆的结合,阻止乙烯和其受体的结合从而导致乙烯信号转导受阻,是一种有效的乙烯拮抗化合物,用于延长各种呼吸高峰果蔬的贮藏时间或保质期[5]。Jiang等通过研究1-MCP在香蕉成熟反应中有防止软化的响应[6],Sisler等通过研究环丙烯(CP)、1-MCP和3,3-二甲基环丙烯(3,3-DMCP)在许多植物中预防乙烯的效应,提出这些新型抑制剂可应用于鲜花和盆栽植物的寿命延长,尤其是1-MCP的作用在康乃馨、香蕉、豌豆苗等中已得到验证[7],Jiang和Sisler等也都提出1-MCP是一种乙烯拮抗剂,通过与比乙烯亲和力更高的受体永久结合,并抑制乙烯反应的论断。作为促进成熟衰老的一种植物激素,乙烯分为内源乙烯和外源乙烯,乙烯与细胞内部的相关受体相结合,进而激活一系列与成熟有关的生理生化反应,加快衰老和死亡。在植物内源乙烯产生或外源乙烯作用之前施用1-MCP,1-MCP会抢先与乙烯受体结合,从而阻止乙烯与其受体的结合,很好地延长了果蔬成熟衰老的过程,延长了保鲜期。

就1-MCP作用的条件,相关人员还申请了专利。Zinoveva E A等就长期贮藏水果、浆果的技术申请了相关专利,他们指出,在储存产品之前,要确定硝酸盐含量,确定总糖含量/滴定酸度(参数“糖/酸”)的比值。然后在含有1-MCP的大气中低温保存,如果浆果或果实中的硝酸盐含量不超过200 mg/kg,则进行1-MCP的加工。单位表示为ppm(百万分之几),在加工过程中它是由公式:最低浓度1-MCP=0.2x(参数“糖/酸”)计算得出的[8]。Liu就芒果的储存申请了专利,步骤包括:收集成熟的、无病的同等大小的芒果果实;用清水清洗,干燥;用50 ℃ 恒温热水预处理5～15 min,在17～28 ℃中,加入0.5 mol/L的1-MCP进行24～36 h的处理，灭菌、干燥,然后放进一个10～16 ℃的冷藏库中保存。该方法能保持芒果果实品质,延缓果实成熟,提高果实贮藏性[9]。这表明,不同类型果蔬采后处理需要对应的程序,以适应果蔬本身的生理后熟变化,延缓果实的衰老。

2 1-MCP保鲜的作用机理

2.1 1-MCP单独处理效应

1-MCP是一种新型乙烯拮抗剂,具有比乙烯更高的双键张力和化合能,通过与植物组织中乙烯受体蛋白的金属离子强烈结合,从而抑制乙烯的作用,延缓果蔬衰老[10]。1-MCP处理果蔬已成为热点,且取得了很好的保鲜效果。

2.1.2 1-MCP处理对果蔬的质构及其营养成分的作用 在果蔬质构与营养成分方面,许多学者做了相关探究。在榴莲保鲜中,Thongkum等用1-MCP处理延迟了榴莲的成熟期、抑制了总可溶性固形物的积累、颜色的变化、果肉软化和乙烯的产生[14]。Wu等对采后桃果实进行了1-MCP处理后,桃子的呼吸速率、乙烯产生降低,a*值在存储过程中不断增加,果实中TSS、TA含量较低,可维持较高的ROS清除能力,并能降低丙二醛(MDA)含量,1-MCP在早期升高总酚、类黄酮含量和总花青素含量,可以减轻氧化损伤,延缓衰老[15]。史君彦等证实2 μL/L 1-MCP 处理对油菜贮藏可以起到良好的保鲜效果,如抑制色差的升高,延缓叶片褪绿转黄,维持叶绿素和维生素C含量,抑制丙二醛(MDA)含量的积累,同时可增强抗氧化酶(APX、POD和CAT)酶活性,减轻活性氧代谢对组织的损伤[16]。

烫伤是一种严重的生理失调表现,在某些品种的苹果和梨贮藏期间或贮藏后,会在果皮上产生棕色或黑色的斑块。漆酶可以催化儿茶酚和表儿茶酚之间的反应,形成苹果皮的褐变颜色,Gong等通过qRT-PCR分析数据说明,在贮藏中经1-MCP处理后,漆酶LAC基因的转录丰度发生了动态变化,果实漆酶活性显著降低,为开发新的表面烫伤抑制剂提供了生物学基础[17]。这和Christopher B等关于1-MCP除了乙烯受体结合特性外,还能延迟或防止苹果(“麦金托什”、“帝国”、“美味”和“罗马法”等品种)表面烫伤的储存紊乱的研究结果一致。他们还指出,果实处于适宜的成熟期施用1-MCP可有效降低浅表烫伤的发生率[18]。谢季云等证实1-MCP抑制了前期采摘阿克苏富士苹果果实的衰老,维持了早期果实内原果胶含量,使得果实硬度下降缓慢,但对采期 Ⅱ、采期 Ⅲ 采摘果实在贮藏后期的硬度维持效果并不明显[19]。

2.1.3 1-MCP处理对果蔬果实中糖代谢的作用 在糖代谢方面,韩帅等以“霞晖6号”桃果实为实验材料,证明1-MCP处理可以显著地降低并推迟桃果实呼吸高峰,可降低蔗糖分解的速度,从而减慢了果糖和葡萄糖的增加,保持更高的蔗糖含量,为桃果实延长贮藏期奠定物质基础[20]。

2.1.4 1-MCP处理对果蔬中风味物质的作用 在风味物质方面,杜林笑等以库尔勒香梨为材料,采用顶空固相微萃取(SPME)结合气相色谱-质谱联用技术(GC-MS),用1-MCP处理香梨果实会减少贮藏前期和中期的香梨果实香气成分的种类,抑制香梨果实酯类、酮类、烯类、烷类和芳香族化合物的形成;促进贮藏中期和末期香梨果实醛类化合物的形成[21]。Cai等使用10 μL/L的1-MCP对桃果实冷藏过程中挥发物进行检测,证明桃果实的主要香气成分是醛类、醇类、酯类以及烷、烯烃、酸等物质,而且经1-MCP处理后的果实的成分如烷烃类、酯类减少,醇类和醛类增加[22]。

2.1.5 1-MCP处理对果蔬中相关基因表达的作用 在对相关生物基因调节方面,有关学者也做了探究。比如,在蔷薇科的基因组数据库(GDR)中进行芳香相关基因的鉴定和获得,识别出三个LOX、一个ADH、一个HPL和两个AAT序列进行RNA提取和基因表达分析。结果显示,在储存第10 d时,1-MCP处理显著提高了桃果实中PpaLOX3、PpaHPL1、PpaAAT1、PpaAAT2、PpaADH1等基因的表达[22]。而Clara I.等详细描述了番茄中6个乙烯受体ETR和4个乙烯反应子CTR基因的基因转录和表达,结果表明,在葡萄成熟时与未成熟时采用1-MCP做处理,ETR和CTR基因有差异表达,SlCTR1、SlCTR2和SlCTR3在1-MCP处理后快速下降,并且一些受体(ETR3、ETR4、ETR6)的反应比其他受体更明显,从而导致乙烯反应的下游失活,最终达到抑制乙烯生理作用的效果[23]。Monthathip等利用qPCR量化了与乙烯感知相关的基因(DzETR1和DzETR2),结果表明,在成熟的榴莲果肉中,乙烯利处理增加了DzETR1和DzETR2基因的表达,而1-MCP处理显著抑制了DzETR2和DzEIL1基因的表达[14]。这些结果充分说明1-MCP在生物体内通过阻碍乙烯的生物合成途径来影响果蔬发育及成熟,而其他延缓成熟的通路也被发掘。比如Wu等利用1-MCP激活PpaDFR和PpaUFGT表达,促进多酚和黄酮类化合物的生物合成以及花青素的稳定性,而花青素中甘草酚和甘草酚3-o-半乳糖苷对延缓果实衰老具有重要作用[15]。

乙烯受体抑制剂(ETR)、磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)和磷脂酶D(PLD)均被认为是果实成熟调控的靶点。如Mohd等用1-MCP、渥曼青霉素、己醛抑制番茄果实成熟,证明了其中的机理与以上三个靶点密切相关。色度变化显示,对照果实成熟正常,由绿色变为红色;相比之下,渥曼青霉素处理过的水果保持了大部分的绿色;在己醛处理过的水果中,出现橙色和微红色;用1-MCP处理过的番茄呈现黄色。实时PCR定量分析基因表达图谱说明,在所有处理中PLD均有下调;乙烯感知相关基因如ETR1和ETR4,以及本构三重反应1(CTR1)变化明显,1-MCP主要下调CTR1,渥曼青霉素下调ETR1和ETR4,己醛下调ETR4;渥曼青霉素处理显著降低PI3K的表达[24]。

在同一水果的不同品种中,1-MCP的作用效果不尽相同。Virginia等测试了两个无性系苹果品种,“克里普斯粉红”和“玫瑰红”,以确定在1-MCP处理后两个品种的乙烯生产和贮藏品质是否相似。结果显示,在1-MCP处理4.5个月以后,“玫瑰红”比“克里普斯粉红”的储存期缩短,乙烯和二氧化碳的产量会增加,硬度降低更迅速,内部褐变更明显;在储存6个月后,“玫瑰红”中观察到表面烫伤,果实进入呼吸跃变后期和衰老阶段[25]。在番石榴“Gola”和“Surah”两个品种中,Zafar等采用1-MCP作为乙烯拮抗剂,抑制乙烯诱导的成熟,保持采收后品质。结果表明,不处理的对照果实成熟迅速,而1-MCP处理的果实可以显著降低果实的重量损失,在“Gola”中损失的降低程度比“Surahi”要高[26]。这表明,同一种水果不同的品种在1-MCP处理后会有不同的成熟与衰老节点。Zhong等分析了枣的成熟阶段对外源乙烯和1-MCP反应的转录水平,证实了在枣树中有一种特殊的非呼吸跃变型成熟行为,果实在成熟初期对乙烯不敏感,但1-MCP处理抑制了成熟的某些方面,这表明维持果实成熟需要基础水平的乙烯[27]。1-MCP也可用于研究非呼吸跃变型果实的乙烯感知和转录相关反应。

2.1.6 1-MCP处理对果蔬植株抗病性的作用 在对植物的抗病性方面,1-MCP 的研究也有了突破性的进展。Robert等研究了1-MCP对储存甘薯的自然抗病性的影响。结果显示,1-MCP处理减少了甘薯块根的重量损失和腐烂,但呼吸速率和非结构性碳水化合物含量没有受到影响,无发芽现象,1-MCP仅短暂地抑制了单个酚类化合物的积累,如异绿原酸A和绿原酸。进而推断1-MCP可能有抵抗甘薯根系发芽与腐烂的作用,可以减轻甘薯中乙烯引起的重量损失和腐烂[28]。

2.2 1-MCP与其他方法联用效应

为了进一步改善和加强1-MCP对果蔬果实的保鲜效果,国内外一些学者对1-MCP的复合保鲜技术进行了研究,下面从物理、化学两种结合角度阐述协同增效的作用。

2.2.1 1-MCP与化学试剂结合 目前,我国可用于新鲜水果蔬菜保鲜及加工的常见化学物质有稳态二氧化氯、二氧化硫、巴西棕榈蜡、对羟基苯甲酸酯类及其钠盐、2,4-二氯苯氧乙酸等[29]。许多试剂的使用考虑到安全食用范围,还处于实验性阶段。例如,Dedong等将水杨酸甲酯(MeSA)与1-MCP相结合,探究其在番茄果实中对采后质量和腐烂的影响。结果显示,0.05 mmol/L MeSA联合0.5 μL/L 1-MCP处理比MeSA单独处理更有效地抑制贮藏期间的真菌腐烂及灰霉病的发生。联合处理不仅提高了防御酶的活性(如苯丙氨酸解氨酶PAL、多酚氧化酶PPO等)和总酚含量,而且抑制了电导率和丙二醛含量的增加。与单用MeSA处理相比,联合处理对保持硬度、颜色变化和可滴定酸度更有效[30]。这说明添加适量MeSA对番茄保鲜可以起到增效作用。梁芸志等采用O3+乙烯吸收剂(EA)+1-MCP处理番茄,也取得了类似的效果,并且保持了番茄的香气含量(如醛类、酮类、醇类)[31]。O3+EA+1-MCP处理能对番茄起到较好的保鲜效果,可能是由于臭氧、1-MCP和EA的协同作用。

Yang等利用固体释放剂产生的二氧化氯熏蒸草莓,实验中ClO2杀死了果实表面超过92%的微生物,但延长处理时间和高浓度可能导致果实有视觉损伤。而使用1-MCP联合处理后,超氧化物歧化酶(SOD)、抗坏血酸盐过氧化物酶(APX)和苯丙氨酸氨裂解酶(PAL)活性更高,多酚氧化酶(PPO)活性更低,即1-MCP与ClO2结合在质量属性(如硬度、糖度、酸度、总酚、抗坏血酸等)维护上优于单独的1-MCP[32]。张晓敏等也证实ClO2在青椒的贮藏中起到了避免染菌的作用,而1-MCP结合ClO2处理比1-MCP单独处理更能有效保持青椒贮藏过程中的品质,抑制青椒的腐烂、失重和转红,延缓叶绿素的降解速率[33]。ByungHo等同时应用35.0 mg L-1的甲酸乙酯(EF)和1.0 μL L-1的1-MCP来控制出口甜柿的四叶菊虫并延长其货架期。实验表明,虽然EF单独熏蒸对T.urticae成虫的死亡率为100%,但是会导致柿子表面显著的颜色变化和硬度下降,不利于出口远销。而1-MCP辅助熏蒸处理可以延长货架寿命,延迟颜色变化和软化,并提供对目标害虫四叶虫的完全控制,扩大了甜柿的出口市场[34]。这些研究说明其他化学试剂的添加可能在微生物控制方面起到了关键作用。但Al Ubeed等用250 μL/L的硫化氢(H2S)与10 μL/L 1-MCP对白菜叶衰老进行抑制,结果表明,对于使用乙烯利的白菜叶,用1-MCP和硫化氢进行序贯熏蒸后,与1-MCP进行熏蒸的品质参数均无差异[35]。所以,化学试剂的增效也可能有选择性。

可食用范围的化学试剂加入还有可能改善果蔬果实的感官性状以及内在品质,满足人们的口感偏好,如Li等证明了草酸(OA)和1-MCP可缓解“右候”甜柿子在冷藏过程中的冷害症状(CI)。OA和1-MCP联合处理可以通过降低电解质泄漏和丙二醛浓度,抑制冻伤引起的膜损伤,并且抑制了酚类物质氧化,导致更少的果皮和果肉褐变,效果优于单一处理OA或1-MCP[36]。曹森等用2%乙烯吸附剂耦合0.25 μL/L 1-MCP能够有效抑制猕猴桃果实腐烂率的上升,延缓营养品质的下降,并且明显降低果实微环境乙烯浓度,存储6 d后果实最接近自然成熟口感,表现出最佳的固酸比、硬度、弹性、凝聚性、咀嚼性、还原糖含量、VC含量等,进而更好地保持了猕猴桃果实的后熟口感[37]。综上可知,选择适当浓度、适当添加量的化学试剂辅助1-MCP用于各类果蔬的贮藏保鲜都有积极的效果,不仅有助于外观品质的保持(如硬度、颜色、果实完整度等),还可以减缓内在营养物质的损失(如总酚、防御性酶、抗坏血酸等),并且可保持原来果蔬的固有口感,但是,在实际应用中化学试剂的食用安全性是首要考虑的方面,后续试剂的趋利避害仍需要进一步实践证实。

2.2.2 1-MCP与物理手段结合 物理保鲜方法主要是通过调节温度、湿度、压力、气体成分等物理参数对果蔬产品进行作用,改变果蔬原来的生物规律[38],最终实现保鲜,如紫外辐照可以灭活蓝莓等浆果上的大肠杆菌O157∶H7和甲型肝炎病毒(HAV)等细菌和病毒病原体[39];如使用低温加湿保鲜柜处理新鲜菠菜和生菜等叶菜类蔬菜能够较好地维持叶片水分,保持叶片组织的活性,且叶片色差变化最小,可很好地保持蔬菜的新鲜度[40];如冬枣在1.00～1.99 mg/L臭氧水中冷激处理,然后放置在湿冷(-1 ℃)条件下贮藏,可很好保持冬枣硬度,减缓转红及酒化,延缓TA和VC含量的降低,保持良好的品质[41];如气调贮藏和超声波可以维持黄瓜细胞壁的完整性,限制黄瓜中水分的再分配,保留其风味挥发物和味道特征[42]等等。这些物理方法与1-MCP联用,主要补充了1-MCP不能杀灭微生物的作用,也增强了相关酶的活性,提高了果蔬的口感与营养品质,进而更好地促进果蔬的保鲜效果。

以气调贮藏与1-MCP结合为例,Evangelos等从代谢组学分析的角度指出,在单独的1-MCP处理下,樱桃茎表现出衰老症状,表现为较高的茎褐变和茎的去除力,而气调保鲜包装(MAP)处理则显著改善了这些症状,MAP和1-MCP联合增加了茎干牵引力和果实硬度、降低了呼吸作用和花青素含量,果实中木糖和阿拉伯糖含量增加[43]。同样,班兆军等用硅窗自发气调包装和1-MCP协同处理新疆毛杏,硅窗因其较好的气体通过率,使得协同处理可显著延缓果实硬度、TA、VC含量和果实色调角值H的下降速率,感官品质评价最好,效果优于单独处理[44]。Vanderlei等研究了1-MCP应用于储存在惰性气体保护中的“银河”苹果,即使在最高温度下,也能保持健康的果实品质、果肉紧实度和可滴定酸度,而气调贮藏调控会大大降低“银河”苹果的乙烯生成量和呼吸强度,减少生理失调,可保持果肉的硬度和可滴定酸度[45]。Mónika等证明1-MCP和气调保鲜包装(MAP)有效地延迟“奇妙”石榴的冷害症状[46]。在兔眼蓝莓的纹理特性研究中,1-MCP结合商业聚乙烯袋可延缓在长期储运中蓝莓硬度、弹性、咀嚼性、韧性等的下降[47]。

在温度协同作用下,罗岩等发现在低温环境下再用1-MCP处理小白杏,能更显著地延缓杏果实硬度的下降,抑制其呼吸强度和乙烯释放量的上升以及果实软化相关酶如多聚半乳糖醛酸酶(PG)、果胶甲酯酶(PE)、纤维素酶(Cx)、β-葡萄糖苷酶(β-glu)等酶的活性,延长了杏果实的贮藏期[48]。而 Jia等详细地探究了库尔勒香梨采用1-MCP和不同贮藏温度处理组合的最佳贮藏时间,结果表明,1-MCP结合2 ℃存储可维持90 d;1-MCP结合0 ℃可存储150 d;1-MCP结合-1.5 ℃可存储225 d,组合处理不仅可以保持梨的品质,又避免了冻伤[49]。综上可知,适当的物理保鲜方法在辅助1-MCP保鲜果蔬的过程中有安全、无毒、高效等优势,主要补充了杀死微生物、延缓腐败衰老、减少生理失调等的作用,可以更好地促进1-MCP的保鲜效果,延长果蔬的货架期。

总之,1-MCP可以通过抑制乙烯的作用和延缓衰老来增强水果和蔬菜的抗病性,已经广泛应用于苹果、梨、桃子、杏、猕猴桃、番石榴、李子、蓝莓、榴莲等的贮藏保鲜上,各种物理化学指标都说明了它的有效性。然而,1-MCP的应用也存在一些不利的影响,如抑制挥发性酯类和醇类在“黄金美味”苹果和其他水果上的生物合成[50-51];单用1-MCP可以在贮藏过程中保持果实品质,但对微生物生长影响不大,1-MCP可能会轻微增加腐烂的程度[52];果实成熟过程中的添加1-MCP不能100%抑制果实呼吸,因为在储存过程中目标位点会再生,以及它们的抑制模式会相应变化,随着果蔬成熟度的增加,可能需要进一步的1-MCP处理才可以防治新的乙烯受体反应[24];另外,1-MCP只诱导部分乙烯信号转导基因转录,但并不是所有与成熟相关的基因都是通过乙烯信号通路介导的,相关机理仍需进一步探究[53];分子水平上ETRs和CTRs基因组的表达需要进行专门的调节,才能使植物能够精确地控制成熟的时间[23]等等。

3 结语与展望

当将1-MCP应用于果蔬保鲜处理时,其不仅可以抑制呼吸,保持果实硬度、延缓软化,还可以减缓可滴定酸、可溶性固形物、抗氧化成分的降低,并抑制丙二醛的积累、抗坏血酸过氧化物酶和过氧化物酶等酶的活性,还可以保持果实的香气含量(主要成分是醛类、酮类、醇类),预防一些冷害症状等,这显示了1-MCP在采后果蔬保鲜中有良好的作用。然而,使用1-MCP也有局限之处,如浓度与处理时间的控制、1-MCP对非呼吸跃变型果蔬影响的研究比较少、1-MCP针对不同果体的特殊成熟时期有不同的响应、与别的试剂结合处理也可能没有叠加效应、分子水平上转录基因表达的不同通路等,如何精准有效地将1-MCP应用于果蔬市场仍需不断的探索。